1.1. Термодинамическая модель систем кондиционирования и вентиляции
Процесс подготовки воздуха перед подачей его в кондиционируемое помещение представляет собой совокупность технологических операций и называется технологией кондиционирования воздуха. Технология тепло- влажностной обработки кондиционируемого воздуха определяется начальными параметрами воздуха, подаваемого в кондиционер, и требуемыми (задаваемыми) параметрами воздуха в помещении.
Для выбора способов обработки воздуха строят d-h диаграмму, позволяющую при определенных исходных данных найти такую технологию, которая обеспечит получение заданных параметров воздуха в обслуживаемом помещении при минимальных расходах энергии, воды, воздуха и т. д. Такая схема обработки воздуха называется терм динамической моделью системы кондиционирования воздуха (ТДМ).
Параметры наружного воздуха, подаваемого в кондиционер для последующей обработки, изменяются в течение года и суток в большом диапазоне. Поэтому можно говорить о наружном воздухе как о многомерной функции Хн = хн(). Соответственно совокупность параметров приточного воздуха есть многомерная функция Хпр = хпр(), а в обслуживаемом помещении Хпом = хпом() (параметры в рабочей зоне).
Математически технологический процесс может быть представлен аналитическим или графическим описанием движения многомерной функции Хн к Хпр и далее к Хпом.
Отметим, что под переменным состоянием системы х() понимаются обобщенные показатели системы в различных точках пространства и в различные моменты времени.
Термодинамическую модель движения функции Хн к Хпом строят на d-h диаграмме, а затем определяют алгоритм обработки воздуха, необходимое оборудование и способ автоматического регулирования параметров воздуха.
Построение ТДМ начинают с нанесения на d-h диаграмму состояния наружного воздуха данного географического пункта. Расчетная область возможных состояний наружного воздуха принимается по СНиП 2.04.05-91 (параметры Б).
Верхней границей является изотерма tл и изоэнтальпа hл (предельные параметры теплого периода года). Нижней границей является изотерма tзм и изоэнтальпа hзм (предельные параметры холодного и переходных периодов года). Предельные значения относительной влажности наружного воздуха принимаются по результатам метеорологических наблюдений. При отсутствии данных принимают диапазон от 20 % до 100 %.
Таким образом, многомерная функция возможных параметров наружного воздуха заключена в многоугольнике abcdefg (рис. 1.1). Затем наносят на dh диаграмму требуемое (расчетное) значение состояния воздуха в помещении или в рабочей зоне. Это может быть точка (прецизионное кондиционирование) или рабочая зона Р1Р2Р3Р4 (комфортное кондиционирование).
Далее определяют угловой коэффициент изменения параметров воздуха в помещении и проводят линии процесса через граничные точки рабочей зоны. При отсутствии данных о тепловлажностном процессе в помещении ориентировочно можно принять (в кДж/кг):
- предприятия торговли и общественного питания 8 500-10 000
- зрительные залы 8 500-10 000
- квартиры 15 000-17 000
- офисные помещения 17 000-20 000
После этого строят зону параметров приточного воздуха. Для этого на линиях, проведенных из граничных точек зоны Р1Р2Р3Р4, откладывают отрезки, соответствующие расчетному перепаду
температур:
где tпр — расчетная температура приточного воздуха.
Решение задачи сводится к переводу параметров воздуха из многомерной функции Хн к функции Хпом .
Величину t принимают по нормам или рассчитывают, исходя из параметров системы холодоснабжения.
Допустимый перепад температур удаляемого и приточного воздуха (t) для производственных помещений составляет 6-9 °С, торговых залов — 4-10 °С, а при высоте помещения более 3 м — 12-14 °С. В общем случае параметры удаляемого из помещения воздуха отличаются от параметров воздуха в рабочей зоне. Разница между ними зависит от способа подачи воздуха в помещение, высоты помещения, кратности воздухообмена и других факторов.
Зоны П, Р и У (приточная, рабочая, удаляемая) на d-h диаграмме имеют одинаковую форму и расположены вдоль линии на расстояниях, соответствующих разностям температур t1 = tпом - tпр и t2 = tуд - tпом.
Соотношение между tпр, tпом и tуд оценивается коэффициентом
Таким образом, процесс кондиционирования воздуха сводится к приведению множества параметров наружного воздуха (многоугольник abcdef) к множеству параметров приточного воздуха (многоугольник П1П2П3П4).
Техническая реализация этого преобразования может быть представлена различными структурными схемами СКВ: прямоточной, с рециркуляцией воздуха или рекуперацией тепла.
1.2. Качественное регулирование СКВ1.2.1. Автоматизация прямоточных СКВ
В технике кондиционирования применяют количественное и качественное регулирование. При количественном регулировании требуемое состояние воздуха достигается путем изменения расхода воздуха при постоянных его параметрах. Количественное регулирование применяется в многозональных системах, а в однозональных — качественное. Для получения оптимальных параметров СКВ могут использоваться оба указанных метода. Поддержание температуры осуществляется по датчикам, располагаемым в обслуживаемом помещении. Влажность может регулироваться по влажности воздуха в помещении (прямое регулирование) или по температуре точки росы воздуха после камеры орошения (косвенное регулирование). При регулировке влажности по температуре точки росы необходимо в линию обработки воздуха ставить два нагревателя ВН1 и ВН2 (рис. 1.2). Воздух нагревается, доводится в камере орошения ОК до параметров, близких к температуре точки росы приточного воздуха. Датчик температуры Т2, установленный после камеры орошения, регулирует мощность первого воздухонагревателя так, чтобы температура воздуха после камеры орошения (ϕ= 95 %) стабилизировалась в области точки росы.  Воздухонагреватель второго подогрева, установленный после камеры орошения, доводит до необходимой температуры приточный воздух. Таким образом, косвенное регулирование влажности приточного воздуха осуществляется терморегуляторами без прямого измерения влажности. При комбинированном регулировании влажности воздуха сочетают прямое и косвенное регулирование. Такой метод используется в системах кондиционирования, имеющих обводной канал вокруг камеры орошения, и называется методом оптимальных режимов. На рис. 1.3 показана термодинамическая модель прямоточной системы кондиционирования. Синим цветом показаны годовые пределы изменения параметров наружного воздуха. Нижняя предельная точка наружного воздуха в холодный период обозначена Нзм, а для теплого — Нл. Множество состояний воздуха в рабочей зоне обозначено многоугольником Р1Р2Р3Р4 (зона Р), а множество допустимых состояний приточного воздуха — П1П2П3П4 (зона П).  В холодный период наружный воздух с параметрами Нзм необходимо довести до одной из точек множества П. Очевидно, что минимальные затраты (кратчайший путь) будут в том случае, если В этом случае наружный воздух необходимо нагреть в подогревателе первого подогрева (ВН1, рис. 1.3) до точки H ’зм, увлажнить адиабатно по линии H ’зм→Кзм при hк зм = const, а затем нагреть подогревателем второго подогрева ВН2 до температуры точки П3 (процесс Hзм→H ’зм→Кзм→П3). При адиабатическом процессе увлажнения воздух увлажняется до 95-98 %. Точка Кзм, находящаяся на пересечении линии d3 и кривой относительной влажности 95-98 %, есть точка росы приточного воздуха П3. Максимальная теплопроизводительность воздухонагревателя первого подогрева ВН1 должна быть  а воздухонагревателя ВН2  где G — расход воздуха, кг/ч. По мере повышения температуры наружного воздуха интенсивность нагрева ВН1 будет уменьшаться, но последовательность обработки воздуха сохранится (H1→H ’1→Кзм→П3). При достижении наружным воздухом энтальпии hн > hк зм необходимость подогревателя первого подогрева ВН1 отпадает. В этом случае наружный воздух нужно только увлажнить и подогреть в ВН2. Очевидно, что кратчайший путь обработки воздуха будет H ’зм→Кзм→П3 или, например, Hпер→Кпер→П5. При дальнейшем увеличении температуры наружного воздуха точка П5 будет передвигаться по линии П3П2П1 и достигнет точки П1, которая сигнализирует о необходимости перехода на обработку воздуха по технологии теплого периода. Диапазон температур наружного воздуха в границах изменения энтальпии от hк зм до hкл есть переходной период. Можно исключить второй подогрев за счет смешивания части нагретого наружного воздуха с увлажненным воздухом после камеры орошения (рис. 1.4).  В этом случае наружный воздух нагревают до точки H ’’зм , увлажняют в оросительной камере (H ’’зм→К ’’зм) до 95 %, а затем смешивают нагретый воздух с увлажненным воздухом в таком соотношении, чтобы точка смеси совпала с точкой П3. Эта операция может выполняться по датчику температуры, либо по датчику влажности после камеры смешения. Самый простой способ увлажнения — использование парогенераторов. В этом случае нагрев производят первым подогревателем до точки П ’3 , а затем увлажняют по изотерме до точки П3. Однако применение парогенераторов экономически невыгодно из-за большого потребления электроэнергии. Применение сотового увлажнителя дает значительное снижение энергопотребления. Так, потребляемая мощность на увлажнение в относительных единицах составляет: - увлажнение в оросительной камере — 5;
- паровое увлажнение — 80;
- сотовое увлажнение — 1.
В теплый период предельные параметры наружного воздуха — точка Нл (рис. 1.3). Очевидно, что минимальные затраты при переходе из точки Нл к зоне П будут в том случае, если выбрать конечную точку П1. Воздух с параметрами Нл необходимо подвергнуть охлаждению и осушению. Этот процесс можно реализовать с помощью холодильной машины (процесс Нл→П1) или камеры орошения. В последнем случае воздух охлаждается за счет холодной воды камеры орошения и осушается по линии Нл→Kл , а затем подогревается в ВН2 по линии Kл→П1 .
Для реализации всех периодов работы кондиционера необходимо после камеры орошения установить два датчика температуры: один (Т3), настроенный на температуру точки росы холодного периода tк зм , второй (Т2) — на температуру tкл точки росы теплого периода.
Датчик Т3 в холодный период, регулируя теплопроизводительность нагревателя ВН1, обеспечивает подогрев воздуха до энтальпии hк зм и адиабатическое увлажнение воздуха в камере орошения до влагосодержания приточного воздуха d3. Терморегулятор ТС4, датчик которого расположен в помещении, стабилизирует температуру второго воздухонагревателя ВН2, обеспечивая температуру приточного воздуха, равную tП3. Таким образом, совместные действия двух терморегуляторов ТС3 и ТС4 обеспечивают состояние приточного воздуха П3.
В переходной период воздухонагреватель ВН1 выключается. Наружный воздух поступает в камеру орошения. По сигналам датчика Т3 регулируется мощность подогревателя ВН2, что выводит параметры приточного воздуха в точку П5, находящуюся на линии П3П2П1.
Регулировка параметров воздуха в теплый период осуществляется с помощью датчикаТ2, установленного после камеры орошения. Этот датчик через регулятор поддерживает расход холодной воды через камеру орошения таким образом, чтобы температура воды в камере орошения обеспечила процесс Нл→Kл . Регулятор ТС4, расположен в помещении, регулирует производительность нагревателя, нагревая воздух до tП1. Таким образом, в теплый период требуемое состояние приточного воздуха достигается терморегуляторами ТС2 и ТС4.
В режиме регулирования влажности по точке росы приточного воздуха происходит некоторое колебание влажности воздуха. Однако температура поддерживается терморегулятором ТС4 достаточно точно.
1.2.2. Автоматизация СКВ с рециркуляцией воздуха
На рис. 1.5 представлена схема центрального кондиционера с рециркуляцией воздуха. С целью уменьшения потерь тепла (холода) часть удаляемого воздуха поступает в камеру смешения (КС), где смешивается со свежим приточным воздухом. Температура смешанного воздуха определяется температурой наружного и удаляемого воздуха, а также их количеством.
Регулировка количества смешанного и приточного воздуха производится с помощью трех заслонок: приточной (ПЗ), вытяжной (ВЗ) и рециркуляционной (РЗ). Заслонки в приточном и вытяжном каналах должны работать синфазно, а в рециркуляционном канале — противофазно относительно вытяжной и приточной. Это позволяет реализовать любую степень рециркуляции от 0 до 100 %. При полностью открытых приточной и вытяжной заслонках и полностью закрытой рециркуляционной заслонке система превращается в прямоточную (степень рециркуляции 0 %). При полностью закрытых приточной и вытяжной заслонках и полностью открытой рециркуляционной заслонке степень рециркуляции составит 100 %.
Общий расход воздуха Gоб определяют по расчетному количеству, необходимому для ассимиляции тепло- и влагоизбытков. Минимальное количество наружного воздуха Gн определяется расчетом для ассимиляции вредных паров и газов или обеспечения санитарных норм. Тогда масса рециркуляционного воздуха Gр определится как Gр = Gоб - Gн.
В холодный период (рис. 1.6) наружный воздух Gн смешивается с рециркуляционным, полученная смесь догревается в воздухонагревателе первого подогрева до энтальпии hк зм , затем в камере орошения подвергается адиабатическому увлажнению до состояния Kзм и в возду хонагревателе ВН2 доводится до температуры точки П3. Последовательность обработки воздуха следующая: Hзм + Уз = Cну→C ’ну→Кзм→П3 . Влагосодержание воздуха регулируется терморегулятором ТС3, датчик которого установлен после камеры орошения. Регулировка производится таким образом, чтобы воздух на выходе нагревателя первого подогрева имел энтальпию hк зм . Адиабатное увлажнение доводит влагосодержание воздуха до состояния Kзм .
Терморегулятор ТС4, датчик которого находится в помещении, регулирует тепло-производительность воздухонагревателя второго подогрева, обеспечивая температуру приточного воздуха tпз . Максимальная тепло-производительность воздухонагревателя первого подогрева
а воздухонагревателя второго подогрева
По мере перемещения точки Нзм в сторону изоэнтальпы hну уменьшается мощность нагревателя первого подогрева ВН1. В момент, когда точка Н окажется на линии hну потребность в ВН1 отпадает. Состояние воздуха от hзм до hну называется первым холодным режимом. Уменьшение мощности подогревателя ВН1 до нуля есть сигнал к переходу на второй холодный режим, находящийся между энтальпиями hну и hк зм . В этот период наружный воздух смешивается с удаляемым, смесь подвергается адиабатному увлажнению в камере орошения до состояния hзм , после чего подогревается нагревателем ВН2 до состояния П3 (процесс Hзм2 + Уз = C ’’ну→Кзм→П3).
Влагосодержание приточного воздуха регулируется терморегулятором ТС5, датчик которого Т5 расположен после камеры орошения. Регулятор воздействует на воздушные клапаны, регулирующие расход наружного и рециркуляционного воздуха, обеспечивая их пропорции, при которых энтальпия смеси равна hк зм . В схеме рис. 1.5 принципиально вместо датчиков Т2, Т3 и Т5 можно использовать один датчик.
По мере перемещения точки Hзм в сторону изоэнтальпы hк зм расход циркуляционного воздуха уменьшается. Полное закрытие клапана рециркуляции является сигналом для перевода системы на переходной режим. Состояние наружного воздуха между энтальпиями hк зм и hкл есть переходной режим. В этот период наружный воздух (Нпер) увлажняется адиабатически и догревается в нагревателе ВН2. Температура точки росы приточного воздуха изменяется от tк зм до tкл. Температура приточного воздуха изменяется по линии П3П2П1. Влагосодержание приточного воздуха определяется состоянием наружного воздуха. Температура приточного воздуха регулируется терморегулятором ТС4, который воздействует на производительность воздухонагревателя ВН2.
Первый теплый режим охватывает состояние наружного воздуха между изоэнтальпиями hпз и hУ1. В этом диапазоне используется только наружный воздух без рециркуляции. Обработка воздуха заключается в охлаждении в камере орошения с последующим нагревом в подогревателе ВН2 (процесс Нл1→Ккл→П1). Для охлаждения воздуха до состояния Ккл терморегулятор ТС2 управляет клапаном, регулирующим температуру воды, подаваемой в камеру орошения. Этим регулируется влагосодержание приточного воздуха. Возможно также политропное охлаждение из точки Нл1 к точке П1 с помощью косвенного охлаждения холодильной машиной.
Если энтальпия наружного воздуха становится выше энтальпии рециркуляционного, то целесообразно смешивать наружный воздух с рециркуляционным. Обработку воздуха в диапазоне энтальпий от hУ1 до hл называют вторым летним режимом. В этом режиме последовательность обработки воздуха следующая: Hл + У1 = Cну→Кл→П1 .
1.2.3. Автоматизация СКВ с рекуперацией тепла
Несмотря на то, что СКВ с рециркуляцией воздуха энергетически эффективна, ее применение имеет ограничения по санитарно-гигиеническим нормам. Если воздух в помещении ассимилирует вредные вещества, табачный дым, жировые испарения и т. п., использование его для рециркуляции не допускается. В этом случае используют перекрестнопоточные (рекуперативные) или вращающиеся (регенеративные) теплообменники (рис. 1.8).
Следует отметить, что абсолютно разделяют встречные потоки только рекуперативные теплообменники. В регенеративных теплообменниках имеется незначительная доля рециркуляции.
Термодинамическая модель СКВ с рекуперацией тепла приведена на рис. 1.7. Она отличается от ТДМ прямоточной СКВ тем, что утилизированное тепло сдвигает температуру приточного воздуха с точки Hзм в точку Hу зм в зимний период и из точки Hл в точку Hу л — в летний период.
В СКВ с регенеративным теплообменником подлежит регулировке скорость вращения ротора, зависящая от температуры наружного воздуха: с понижением температуры скорость вращения теплообменника увеличивается (1-15 мин-1).
Для того, чтобы не засорялся рекуператор, как в приточном, так и в вытяжном каналах устанавливаются фильтры очистки воздуха, а также обеспечивается периодическая «прокрутка» колеса не использующегося в данный момент рекуператора при работающей установке.
1.2.4. Автоматизация однозональных сплит-систем
В жилых и офисных помещениях широкое применение получили автономные однозональные кондиционеры (сплит-системы), имеющие следующие особенности:
- ограниченный диапазон температуры наружного воздуха — в основном производители ограничивают использование сплит-систем в зимний и переходные периоды года температурой не ниже минус (5-10) °С;
- отсутствуют блоки увлажнения;
- теплообменник внутреннего блока выполняет функции охладителя и подогревателя;
- регулировка производительности в основном осуществляется методом пуска-остановки компрессора или изменением количества хладагента, подаваемого в теплообменник;
- обводные каналы для байпасирования воздуха отсутствуют;
- регулировка температуры осуществляется по температуре в помещении, устанавливаемой пользователем;
- температура в помещении поддерживается в режиме нагрева (tуст + 1) °С и режиме охлаждения (tуст - 1) °С;
- температура хладагента в теплообменнике внутреннего блока составляет: в режиме нагрева (40-45) °С; в режиме охлаждения (5-7) °С.
Режим охлаждения может происходить без изменения влагосодержания (сухое охлаждение) или с уменьшением влагосодержания (охлаждение и осушение). Для сухого охлаждения воздуха температура теплообменной поверхности должна быть выше точки росы охлаждаемого воздуха (рис. 1.9).
Если температура теплообменной поверхности ниже точки росы воздуха, произойдет конденсация влаги из воздуха, который в этом случае не только охлаждается, но и осушается. В результате образования конденсата воздух будет взаимодействовать с влажной поверхностью воздухоохладителя. Воздух в тонкой пленке у поверхности воды приобретает параметры такие, как у насыщенного водяного пара при температуре, равной температуре данного участка поверхности.
Процесс взаимодействия воздуха с влажной поверхностью воздухоохладителя аналогичен процессу в аппарате контактного типа и изобразится на d-h диаграмме линией, направленной из точки начального состояния Hл воздуха к точке пересечения изотермы, соответствующей средней температуре tw поверхности воздухоохладителя, с кривой ϕ= 100 % (рис. 1.9, линия HW).
Температура воздуха на выходе теплообменника tк определяется температурой воздуха на входе теплообменника tн , температурой поверхности теплообменника tw и коэффициентом эффективности теплообменника Et (рис. 1.10).
При известной температуре холодоносителя на входе теплообменника tw температуру воздуха на выходе tк можно определить по формуле:
где Et — коэффициент эффективности теплообмена, показывающий отношение реального теплообмена к максимально возможному в идеальном процессе.
Для процессов, протекающих по t = const
для процессов, протекающих по d = const
Некоторые производители (Daikin) для оценки эффективности поверхностных теплообменников в технической документации приводят значение байпасфактора, равного отношению:
Для оборудования Daikin байпасфактор составляет 0,18-0,25.
На рис. 1.11 представлена термодинамическая модель процессов в однозональной сплит-системе, построенной с учетом особенностей, оговоренных выше.
В теплый период автоматическая система управления кондиционером поддерживает температуру (tуст + 1), в холодный и переходные периоды — (tуст - 1).
В режиме охлаждения процесс идет от точки Hл по линии d = const до пересечения с линией ϕ= 100 %, затем по этой линии до пересечения с линией tпом = tуст + 1. Следует помнить, что реально процессы охлаждения HлD и осушения DH идут одновременно по кривой, постепенно приближающейся к линии tуст + 1 (процесс Hл1→Hл2→Н2...).
Далее система автоматического управления поддерживает процесс по линии tуст + 1 с конденсацией влаги. Угловой коэффициент процесса непрерывно меняется по линиям KnHn. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока его направление не совпадет с направлением углового коэффциента пом . Так, если угловой коэффициент будет направлен по линии пом , то процесс в помещении застабилизируется по линии K3H3 . Если выделения влаги в помещении нет, процесс пойдет по линии K4H4 при d = const.
В холодный и переходные периоды года (режим нагрева) процесс идет от точки Нзм вертикально вверх (d = const) до пересечения с линией (tуст - 1) °С. Отсутствие процесса увлажнения воздуха может привести к осушению ниже комфортных условий, что является недостатком работы сплит-систем в режиме нагрева.
Продолжение
По материалам книги Г.В. Нимича, В.А. Михайлова, А.С. Гордиенко, Е.С. Бондаря «Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха»
|
